פרויקטים טובים יותר באמצעות PCB: 6 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:12

אם בילית זמן בעבודה עם פרויקטים של אלקטרוניקה אז אתה יודע כמה כיף ומרגש זה יכול להיות. אין דבר מרגש יותר מלראות את המעגל שלך מתעורר לחיים ממש מול העיניים שלך. זה נהיה מרגש עוד יותר כשהפרויקט שלך הופך לגאדג'ט שימושי שאתה רוצה להכין מתקן קבוע בבית או במשרד שלך. אבל מהי הדרך הטובה ביותר להשיג זאת? לוח לחם הוא בהחלט לא התשובה, ובניית מעגל מסובך על לוח פרוטו יכול להיות די מייגע. לשני הכלים הללו יש את מקומם, אך הם אינם אידיאליים לייצור ריאליסטי.

הפתרון? הפוך את הפרויקט שלך באמצעות לוח PCB (מעגל מודפס). כאשר מספר היצרנים והחובבים גדל מדי יום, היצרנים מעמידים שירותים ברמה מקצועית זמינים (ובמחיר סביר) לכולם. פעם זה היה יקר להפליא לעצב ולייצר מחשבי PCB. עם תוכנות CAD באיכות גבוהה זמינות בחינם במקרים מסוימים, ומפעלים המייצרים לוחות אב טיפוס קטנים במחיר של עד 5 $ בתוספת משלוח. יש מעט מאוד סיבות לא לנצל שירותים אלה.

המטרה שלי היא לקחת אתכם את הפרויקט הזה ברמה גבוהה. מכיוון שכל תוכנת CAD שונה במקצת תצטרך לאסוף קצת ידע ממקורות אחרים כדי לגרום לזה לקרות. אפרסם קישורים לכמה משאבים שמצאתי מועילים. לפני שתדאג מהזמן שלוקח ללמוד למיומנויות אלה תרשה לי לומר שהתחלתי עם ידע וניסיון אפס לחלוטין, ועשיתי עיצובים מוצלחים לאחר שלמדתי פחות מ -8 שעות למידה ממשאבים מקוונים.

השתמשתי באופן אישי בשלוש חבילות תוכנת ה- CAD הללו, אך אני ממליץ לך להסתכל בסרטוני ההקדמה האלה כדי לקבל מושג כיצד כל אחת מהן מוגדרת.

• היכרות עם KICAD
• היכרות עם וובינר CAD של Eagle CAD
• מבוא לאלטיום

לרופא פיטר דלמריס יש קורס מצוין המבוסס על KICAD שסיימתי וממליץ בחום אם זו התוכנה שבחרת. ההסברים שלו לאופן הפעולה של כל התכונות קלים לביצוע ומלאים מאוד. להלן קישור לשיעור שלו ב- Tech Explorations.

אופציה נוספת שכדאי לשקול (למרות שזו לא אחת בה השתמשתי בעצמי) היא EasyEDA. ראיתי יצרנים אחרים משתמשים בתוכנה מקוונת זו כדי ליצור כמה עיצובים מאוד מוצקים.

בואו נתכנן עיצוב!

אספקה

• מחשב עם תוכנת CAD
• מלחם
• שֶׁטֶף
• מודול ESP-32 אחד (WROOM-32D)
• 2 MCP 23017 (חבילת SOIC)
• ווסת 5 וולט (L7805)
• ווסת 3.3 וולט (AP2114H)
• שקע חבית DC כללי לתקע 2.1 מ"מ
• כותרות סיכה זכר או נקבה (אופציונלי)
• תנור טוסטר והדבקת הלחמה (לא חובה)
• תרגיל (אופציונלי)

שלב 1: תכנון ועיצוב

חשוב מאוד שיהיה בסיס איתן לכל פרויקט. מעט זמן התכנון יכול לחסוך שעות של תסכול בהמשך הדרך.

מקום טוב להתחיל בו הוא יצירת רשימת פונקציות ותכונות שאתה רוצה שיהיה לעיצוב שלך. להלן הרשימה בה השתמשתי כשיצרתי פרויקט דוגמה זה.

• לוח מבוסס ESP-32 התואם לעיצובים קיימים של ESP-32
• יותר סיכות דיגיטליות מאשר ערכת ה- Dev ESP-32 הסטנדרטית
• זמין 5v ו- 3v3 לאביזרים המפעילים את הלוח
• יציאת תכנות כדי שאוכל לעדכן את היחידה בעתיד
• היכולת לפעול על כניסת 6 עד 12 וולט

שנית היא איסוף רשימת החלקים שבהם אתה רוצה להשתמש ומצא מקור זמין. הדבר האחרון שאתה רוצה לעשות הוא ליצור PCB שאינך יכול לקנות עבורו את החלקים. עליך גם לאסוף את גליונות הנתונים של היצרנים עבור כל חלק שאתה מתכוון להשתמש בו (תאמין לי שזה מאוד חשוב ואני אסביר מדוע בהמשך).

לבסוף אוספים הערות ורישומים שכבר יצרתם לעיצוב זה. זה יכלול כל אילוצים פיזיים שיש לך. כגון שהיית רוצה שהלוח שלך יהיה תואם עם מגן ארדואינו או יתאים בתוך מארז ספציפי. כל המידע הזה יהיה נחוץ בשלבים שונים בתהליך.

שלב 2: סכמטי PCB באמצעות CAD

בואו נתחיל לעשות את הסכימה שלנו!

באופן כללי אני אוהב להוסיף את כל החלקים שלי לסכימה ולפרסם אותם בצורה הגיונית בעיני. בשלב זה שבו אתה מציב אותם אין כל השפעה על המיקום הפיזי על הלוח המודרני, כך שתוכל להשתמש בגמישות זו לטובתך. אם אין לך עקבות לכל הרכיבים שלך אני ממליץ בחום על SnapEDA ועל Ultralibrarian. למשאבים אלה יש מבחר מדהים של חלקים זמינים כמעט לכל תוכנת CAD שבה אתה עשוי להשתמש. פשוט חפש את מספר החלק של הרכיב והורד את הקבצים המתאימים. יש להם הדרכות שמלמדות אותך כיצד לייבא קבצים אלה אם אינך יודע כיצד לעשות זאת.

לפני חיבור החלקים שלך יחד עדיף לבדוק את נקודות הסימון של כל רכיב לדיוק. זו הסיבה שחשוב להחזיק את גליונות הנתונים, היו לי קבוצות שלמות של PCB שהרסו (זוכרים את שעות התסכול האלה?) כי דילגתי על השלב הזה. אם לא הכנת את החלק בעצמך (ולפעמים גם אם עשית זאת) בדוק תמיד.

כאשר אתה הולך לחבר את סכמטי שלך מצאתי את זה מועיל להשתמש תוויות רשת כדי ליצור את החיבורים. אם יש לך כמות גדולה של חוטים הפועלים לכל כיוון, אז יהיה לך קשה לעקוב, וגם מגדיל את הסיכוי ליצור חיבור למקום שלא כדאי לך (יותר שעות של תסכול). מאזן חוטים ותוויות רשת הוא בדרך כלל הטוב ביותר, רק הקפד להשתמש ברשימת תוויות רשת שיהיו הגיוניות לכל מי שמסתכל על העיצוב. זה יהפוך את החיים לקלים אם תחזור לעיצוב זה בעתיד ותרצה לבצע שינויים או לפתור בעיות בעיצוב המקורי.

הסכימה היא גם מקום טוב להשאיר הערות לגבי האופן שבו חלקים שונים במעגל אמורים לפעול. זוהי דרך טובה לעקוב אחר כל הפרטים הנדרשים כדי שהדבר יעבוד כמו שצריך. דוגמה בפרויקט זה היא שנדרשת מגשר בין סיכת ההפעלה של מודול ה- ESP לבין אספקת 3.3v לתכנות. למרות שזה כנראה לא המקום היחיד שאתה צריך לתעד מידע מסוג זה, זה בהחלט טוב להרגל לכתוב הכל.

בדוק את הסכימה שלך היטב לפני שתמשיך לשלב הבא. זה צריך להיות נכון כדי שתהליך פריסת ה- PCB יעבור בצורה חלקה. גישה איטית ומתודית תמיד תיתן לך את התוצאה הסופית הטובה ביותר. עברו על כל ההערות שברשותכם ואמתו כל אחת מהן כנגד הסכימה.

שלב 3: פריסת PCB

לפני שנתחיל לסדר את הרכיבים שלנו הכי טוב להסתכל על עקבות ולוודא שהם נכונים לחלקים שבהם אתה מתכוון להשתמש. לדוגמה, בחלק מהחלקים יהיו זמינות עם חורים ו- SMD, הקפד להשתמש רק בחלקים שתוכל להתקין. למודול EPS-32 יש רפידה מתחת לנדרש טיפול מיוחד (עוד על כך בהמשך) רק וודא שיש לך תוכנית למצבים אלה. לאחר בחירת החבילות המתאימות לרכיבים שלנו עליך לבדוק שוב את הסיכות של כל חלק לגליון הנתונים (האם שמת לב למגמה כאן?) האמן לי כשאני אומר כי אלה יכולים להיות שגויים וזה יימשך ליום ארוך. אם תצטרך לאתר נושאים אלה מאוחר יותר

בעת סידור הרכיבים שלך וודא שאתה לוקח בחשבון את כל אותם אילוצים פיזיים שהזכרתי קודם. במקרים מסוימים ייתכן שיהיה עליך למקם חלקים מסוימים תחילה מכיוון שמיקומם קריטי והתאים לכל היתר סביבם. זכור למקם חלקים המחוברים קרוב זה לזה, אך גם לאפשר מספיק מקום לעבודה איתם במהלך ההרכבה. אם יש לך מארז ספציפי שאתה מתכוון להשתמש בו, זה עשוי להיות הגיוני ליצור קודם את פרופיל הלוח ואת כל חורי הקידוח.

אחרי שכל הרכיבים שלך ממוקמים במקום שאתה רוצה שהם הגיע הזמן להתחיל לנתב את הרצועות שלך. יש לזכור כמה נקודות מפתח בעת ביצוע פעולה זו.

• המעקב הקצר ביותר האפשרי הוא בדרך כלל הטוב ביותר
• גדול יותר בדרך כלל טוב יותר (במיוחד עבור קווי אספקת חשמל)
• עליך לדעת כמה זרם מסלול נתון אמור להתמודד ולוודא שהגודל שבחרת יכול להתמודד עם כמות זו בבטחה (זוהי בעיה בטיחותית חשובה ביותר, זרם יתר יכול לגרום לחימום ועלול להיות סכנת שריפה)
• דע אילו סובלנות היצרן שלך מסוגל לשמור על עקוב אחר ההנחיות. להלן קישור לדף היכולות של יצרן אחד (ייתכן שתוכנת ה- CAD שלך כוללת בודק כללי עיצוב שיזהיר אותך על כל מקומות שאינם עומדים בתקן שהמפעל יכול לעקוב אחריו)

אמנם ניתוב מסלולים יכול להיות חידה מהנה, אך לפעמים העיצובים שלנו יכולים להסתבך ולהפוך את זה לאתגר קיצוני. במקרים אלה שימוש בתוכנת ניתוב אוטומטי יכול לחסוך לך זמן רב. להלן קישור לנתב אוטומטי בו השתמשתי במספר פרויקטים. הנתב האוטומטי מייבא את הפרויקט שלך ומשתמש בכללי העיצוב שלך כדי ליצור עקבות מתאימות לכל הרשתות שלך. בדרך כלל אני אתן לנתב האוטומטי לבצע את עבודתו, ואז לשנות באופן ידני כמה דברים שאולי ארצה שיהיו שונים. אתה יכול גם לנתב את העקבות שאתה רוצה שיהיו במיקומים ספציפיים, והנתב האוטומטי יעבוד סביב הרצועות הקיימות כשהוא עובד על הרשתות הנותרות.

שלב 4: נגיעות אחרונות והתכוננות לייצור

כאשר חלקים ממוקמים ומסלולים פועלים, PCB שלך כמעט מוכן לצאת לדרך. עכשיו זה זמן טוב לתת לפריסה כולה טוב פעם נוספת. עקוב אחר עקבות באמצעות הסכימה כמדריך וודא שכל החיבורים שאתה צריך נעשו.

כדאי גם לשקול להוסיף גרפיקה ללוח שלך בשכבת מסך המשי. שמך או סימן יצרנים אחרים הוא דרך טובה להודיע לאחרים שאתה מתגאה בעבודתך. אני גם מאמין לסמן את רוב נקודות החיבור שלי אם לא את כל מה שהם נועדו להן. זה עוזר כשאתה הולך לחבר את הדבר לאחר ההרכבה, ומקל על אחרים להבין את הפונקציות של נקודות החיבור האלה.

דבר נוסף שיש לקחת בחשבון הוא סימון מזהה גרסה, במיוחד אם מדובר בלוח שאתה מתכוון להכין יותר מפעם אחת. כך תוכל לבצע שינויים במעגל בעתיד, ולספר במבט חטוף עם איזו גרסת לוח אתה עובד.

עם כל זה עשה את זמנו לתכנן/לייצא את העיצוב שלך ולשלוח אותו ליצרן. באופן כללי אלה יהיו קבצי Gerber, ובדרך כלל יש לאחסן את כולם בתיקיית zip אחת. זה מה שתעלה כאשר תבצע את הזמנת ה- PCB שלך.

להלן קישור לקבצי גרבר לפרויקט לדוגמה שלי ב- GitHub

שלב 5: הזמנת ה- PCB שלך

יותר ויותר אפשרויות זמינות לכך מאשר בעבר. זה נהיה כל כך קל עד שכל אחד יכול לעצב את העיצובים שלו באופן מקצועי על ידי מפעלים גדולים ומחיר סביר להפליא.

עיצבתי למעלה מ- 35+ PCB וכולם הופקו על ידי JLCpcb (https://jlcpcb.com)

חברה טובה מאוד שמעולם לא נתקלתי בה בעיות איכות. להלן קישור לסרטון המעניק סיור במתקן שלהם ומסביר את תהליך ייצור ה- PCB בפירוט. סיור במפעל

היכנס לאתר שלהם והתחל הצעת מחיר. לאחר מכן העלה את ה- zip של קבצי Gerber שלך. אתה אמור לראות עיבוד של העיצוב שלך לאחר השלמת ההעלאה. בחר את הכמות, הצבע וכל הקריטריונים האחרים שתרצה לציין בשלב זה. אז זה פשוט ללכת לקופה. תוכל להעלות בקלות קבצי גרבר משלך לצופה מקוון בחינם של Gerber ולראות כיצד קבצים אלה נראים כאשר הם מעובדים.

בדרך כלל אני מנסה לשלוח כמה עיצובים בו זמנית כדי לשלב את המשלוח. בדרך כלל הייתי מצפה לקבל אותם תוך 1-2 שבועות לאחר ביצוע ההזמנה. זה כמובן יכול להשתנות בהתאם למגוון גורמים, אך הם יתנו לך עדכונים על התקדמות ההזמנות שלך דרך האתר שלהם ומספר מעקב לאחר שליחת ההזמנה שלך.

שלב 6: בואו לבנות אותו

הגיע הזמן להרכיב!

זוכרים קודם שציינתי שיש טריק להלחמת מודול ESP-32? אם תסתכל על טביעת הרגל על הלוח המודרך תבחין בכרית גדולה מתחת לרכיב. ובכן זה יכול להיות קצת אתגר, אבל אני חייב דרכים לבצע את העבודה.

אפשרות 1: השתמש במשחת הלחמה ותנור טוסטר קטן.

זה ממש פשוט, וזה בהחלט ייתן לך את התוצאות הטובות ביותר בסך הכל. סרטון זה מסביר את התהליך. וודא שאתה מבין את דרישות הטמפרטורה של משחת ההלחמה שבה אתה משתמש, ויהיו לך תוצאות די מדהימות ללא מאמץ רב. זה ידאג להלחם את מרבית רכיבי ה- SMD אם לא את כולם. נקודות בונוס אם תנור הטוסטר שלך הגיע מערימת זבל וצריך לתקן אותו לפני השימוש.

אפשרות 2: צא מהתרגיל!

אפשרות זו בהחלט תעבוד אך היא אינה האידיאלית ביותר. קידוח חור קטן דרך הלוח במרכז הלוח הזה יאפשר לך להלחם אותו מהצד האחורי של הלוח כמו רכיב חור דרך. דברים יכולים להשתבש די בקלות עם גישה זו, אז קח את הזמן והשתמש במקדח באיכות גבוהה. אם אינך מתכוון להשתמש בתהליך תנור הנעה מחדש תוכל להתמודד עם בעיות מסוג זה בעיצוב שלך על ידי הוספת חור מצופה במרכז כרית זו. זה יאפשר לך הלחמה עם מגהץ ללא סיכון לפגוע בלוח שלך.

הלחם את כל חלקי החורים שנותרו (ו- SMD אם לא השתמשת בשיטת ההזרקה). עבור כותרות הסיכה אני אלחם סיכה אחת כדי להחזיק אותה במקומה בזמן שאני הופך את הלוח כדי לוודא שהוא ישר. זה גם טוב לבדוק את הלחמה בזהירות רבה בכל חלקי ה- SMD באמצעות מגדלת כלשהי. אם אתה מוצא משהו שצריך לגעת, השתמש בשטף (תאמין לי שזה עושה הבדל גדול) וחמם מחדש את מפרק ההלחמה. גיליתי בעיצוב לדוגמא שלי שלמודול ESP-32 היו מספר מקומות שצריך לעבד מחדש. שים לב גם שבכוונה לא הוספתי כותרות סיכה ללוח זה, זאת מכיוון שאני מתכוון להלחם ישירות את החוטים מהמכשירים ההיקפיים שלי. זו לא תמיד הגישה הטובה ביותר, אך עבור היישום שלי זו לא בעיה.

זהו זה! מההתחלה ועד הסוף לקחנו תפיסת מעגל ויצרנו PCB מותאם אישית משלנו לפרויקט זה. ברגע שאתה מבין את זה האפשרויות הן כמעט אינסופיות. אני מקווה שהמדריך הזה נתן לך כמה רעיונות טובים והצביע על כמה משאבים שימושיים שיעזרו לך במסע ביצוע PCB. תודה שקראתם!

עשייה מהנה, ואל תתן לעשן לצאת! (ברצינות הוא זקוק לעשן הקסם)